High-Accuracy Optical Alignment of a Metrology System Using Autocollimation

Abstract

In this thesis a high-accuracy optical alignment method using electronic autocollimators is presented. Alignment method was designed to be used with OptoFidelity’s WG-IQ augmented reality glass image-quality measurement system that has high requirements for alignment accuracy. Repeatability and time-cost of alignment were also important considerations for the optical alignment. The autocollimators used in the optical alignment were designed specifically to fulfil the requirements of accuracy, speed, size and cost. The autocollimators were built and tested, their resolution measured to be 0.86″ and their measurement range was measured to be ± 2200″. The optical alignment process for WG-IQ was tested and an alignment with the largest alignment error being 105″ was performed. This is a substantial increase in alignment accuracy compared to the best-case result of 0.1° alignment accuracy using previous alignment methods for the same system. Furthermore, the time it took to perform the alignment was decreased from weeks to days. In addition to performing typical autocollimator alignments, two autocollimators were used in tandem to align rotation of one of the components of WG-IQ with an accuracy of ± 0.5°. This type of rotation alignment is typically impossible with only one autocollimator. Key sources of error for the autocollimators such as internal alignment issues were found. Ways to improve and automate the optical alignment process were also pointed out. This thesis presents ways to leverage custom design autocollimators for high-accuracy optical alignment that increases the repeatability and decreases the time-cost benefitting both industrial and scientific applications.

Tässä diplomityössä esitellään elektronisia autokollimaattoreita hyödyntävä optinen linjausmetodi. Linjausmetodi suunniteltiin OptoFidelityn WG-IQ-mittalaitteelle, jota käytetään lisätyn todellisuuden lasien kuvanlaadun mittaamiseen. Kuvanlaadun mittaaminen alan standardien tasolla vaatii huipputarkan optisen linjaamisen. Tarkkuuden lisäksi optisen linjauksen suunnittelussa huomiota kiinnitettiin erityisesti toistettavuuden parantamiseen sekä optisen linjauksen suoritusajan lyhentämiseen. Optisessa linjauksessa käytetyt autokollimaattorit suunniteltiin täyttämään tarkkuuteen, nopeuteen, kokoon ja hintaan liittyvät vaatimukset. Autokollimaattorien resoluutioksi mitattiin 0.86″ ja niiden mittausalueen mitattiin olevan ±2200″. WG-IQ-mittalaitteen optisen linjauksen suurimmaksi linjausvirheeksi mitattiin 105″. Saavutettu linjausvirhe on merkittävästi pienempi kuin aiemmilla linjausmetodeilla saavutettu 0.1° linjausvirhe. Linjauksen ajallinen kesto lyheni useista viikoista muutamiin päiviin. Autokollimaattoreita hyödynnettiin myös suorittamaan linjaus pyörimisakselin suhteen käyttäen kahta autokollimaattoria. Linjauksen tarkkuudeksi saatiin ±0.53° ja huomionarvoista on, että kyseinen linjaus ei tyypillisesti ole mahdollinen yhdellä autokollimaattorilla. Suurimmat virheet autokollimaattorien suorituskyvyssä tunnistettiin liittyvän autokollimaattorien sisäiseen optiseen linjaukseen. Kehityskohteita optiseen linjaukseen, sekä prosessin automatisointiin tunnistettiin myös. Yhteenvetona, tässä työssä esitellään korkeantarkkuuden optinen linjaus hyödyntäen autokollimaattoreita. Nopeasta, toistettavasta ja tarkasta optisesta linjauksesta on hyötyä sekä kaupallisissa että tieteellisissä sovelluksissa.